Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
16
running_head:
folio:
LUẬT QUÁN TÍNH,
HELIOCENTRIC
HỆ THỐNG
VÀ PHÁT TRIỂN KHOA HỌC
M. Y. AZBEL
16
17
Bản chất của sự phát triển của khoa học là kịch tính. Nhưng trải qua một khoảng cách lịch sử to lớn, ngay cả những chiếc mặt nạ lớn trên bức tranh khoa học cũng hợp nhất, những mâu thuẫn trở nên vô hình, và sự phát triển của khoa học dường như nhất quán, logic chặt chẽ và luôn hướng về một hướng. Ở một khoảng cách ngắn, khoa học thực sự chỉ có thể hiểu được đối với các chuyên gia, nhưng các quy định ngày nay dường như đúng vô điều kiện. Vì vậy, để thấy được bản chất của sự phát triển của khoa học, sự hưng thịnh và điều này cũng đã xảy ra - sự tuyệt chủng của các lĩnh vực riêng lẻ của nó *), để xem được kịch tính của nó, các nhân vật của nó, những niềm tin của nó, người ta phải đổ mồ hôi vào thứ khoa học đã trở thành lịch sử và có thể hiểu được cho đến cùng - nó đã biến từ đấu trường nhịp đập thành một sự thật hiển nhiên của trường học. Khi đó, có lẽ bạn sẽ hình dung được thời đại khoa học ngày nay theo một cách mới và đúng đắn hơn.
Về vấn đề này, rất thuận tiện để tìm ra con đường dẫn đến việc khám phá ra định luật quán tính. Trong một bài thuyết trình ở trường, định luật này trông rất đơn giản và thô sơ, và không rõ tại sao lại cần đến thiên tài Galileo, Descartes và Newton để khám phá ra nó.
Trong khi đó, định luật quán tính là một trong những định luật vĩ đại nhất và theo đó, là một trong những định luật vật lý sâu sắc nhất.
Một trong những điều vĩ đại nhất, hay nó mang tính phổ quát, có giá trị đối với cả electron và thiên hà. Ông không bị lung lay bởi bất kỳ cuộc cách mạng tự nhiên nào của thế kỷ 20: cả thuyết tương đối lẫn cơ học lượng tử.
Lý do cho sự ổn định như vậy của định luật quán tính là độ sâu của nó. Do đó, nó có giá trị cho mọi đối tượng không có ngoại lệ, bởi vì nó không gắn liền với một thuộc tính cụ thể của các đối tượng, mà với một thuộc tính cơ bản về không gian và thời gian: với
*) Ví dụ: khoa học về các khái niệm cắt hoặc về các phương trình đại số chính xác (theo cơ số) lời giải.
tính đồng nhất và sự tạo ra không gian (nghĩa là với sự tương đương của bất kỳ địa điểm nào và hướng vào không gian trống rỗng) và tính đồng nhất của thời gian (nghĩa là sự tương đương của bất kỳ khoảnh khắc nào trong thời gian).
Trên thực tế, nếu một điểm vật chất chuyển động theo quán tính, tức là không tương tác với phần còn lại của thế giới, thay đổi hướng chuyển động của nó, chẳng hạn, thì chỉ có thể biết được một điều: sự không tương đương của hướng trong không gian - hướng mà điểm vật chất quay sẽ khác với tất cả những điểm khác.
Một câu hỏi dành cho những người ủng hộ bản chất đánh giá của định luật quán tính: một vật thể sẽ chuyển động như thế nào nếu không tương tác với bất cứ thứ gì? Chà, giả sử, chuyển động của Trái đất chúng ta sẽ diễn ra như thế nào nếu lực hút của Mặt trời đột nhiên biến mất? Liệu chuyển động quay quanh trục của nó có được duy trì hay không? *)
Khi trả lời câu hỏi này, cần lưu ý rằng đại lượng đáp số cho câu hỏi phức tạp hơn về chuyển động tự do của con sói được đưa ra là kết quả công trình của các nhà toán học vĩ đại như Lagrange và Euler.
Chẳng phải ngay cả sau khi đặt ra một câu hỏi, quy luật quán tính bắt đầu dường như không chỉ hiển nhiên một cách ngây thơ sao? Để in điều này, cần phải hỏi chúng ta khi nào và trong những điều kiện nào (một nhà vật lý sẽ hỏi: trong hệ thống báo cáo nào) định luật quán tính vận hành. Ví dụ, hãy tưởng tượng một quả bóng bi-a nằm trên sàn không ma sát của một chiếc xe điện. Không có lực nào tác dụng lên quả bóng, tuy nhiên người lái xe được quan sát sẽ nhận thấy rằng đôi khi (khi nào?) quả bóng bắt đầu chuyển động không đều, tuân theo định luật quán tính, tuân theo định luật quán tính. Có chuyện gì thế này?
Xin lưu ý rằng những cách xây dựng như vậy hoàn toàn không phải là bài tập về chủ nghĩa kinh viện. Một ví dụ về điều này là các khái niệm
*) Đáp số cho tất cả các câu hỏi đặt ra trong bài, dữ liệu ở cuối tạp chí.
18
hòa bình tuyệt đối và tương đối. Mọi người đều biết rằng không có hòa bình tuyệt đối, nhưng hòa bình tương đối của khí tiêm vào nhau có điều kiện đáng ngạc nhiên bài toán bay với tốc độ gần như ánh sáng do sự va chạm của các khí hạnh phúc.
Nhưng chúng ta hãy quay trở lại định luật quán tính. Nó không chỉ không rõ ràng. Ông là luật điên rồ đầu tiên trong lịch sử khoa học. Người ở thế giới bên kia chưa bao giờ nhìn thấy chuyển động đều trên Trái đất mà không có tác động của ngoại lực. Tuyệt đối tất cả các thí nghiệm, không có một ngoại lệ nào, đều thuyết phục chúng ta: không có lực thì không có chuyển động. Không phải ngẫu nhiên mà trước Galileo người ta tin rằng tốc độ tỷ lệ thuận với lực tác dụng. Và đây chính là quy luật đúng đắn cho tốc độ thông thường thời bấy giờ. Nhưng nó rất không kiềm chế được! Hệ số tỉ lệ trong nó phụ thuộc vào điều gì? Nhiều thế hệ nhà khoa học có thể làm việc (và đang làm việc!) để nghiên cứu hệ số này, đặc biệt vì với tốc độ ngày càng tăng, bản thân quy luật bị điều hòa, sự phụ thuộc rất lớn giữa tốc độ chuyển động và lực tác dụng. Và không có gì đáng ngạc nhiên: xét cho cùng, lực nằm, nói đúng ra, nằm ngoài ranh giới của cơ học (trong quá trình ma sát, vật được thả ra).
Nhưng làm thế nào người ta có thể loại bỏ được sức mạnh luôn luôn tiếp cận này? Làm thế nào để từ bỏ giá trị tuyệt đối và con đường tự nhiên của những thử nghiệm luôn mới, tinh tế và phức tạp hơn bao giờ hết?
Đáp số lịch sử bất ngờ và được đón nhận. Định luật quán tính, giống như tất cả các định luật cơ học cơ bản - định luật Newton, không phải ra đời trên Trái đất mà là trên thiên đường. Và ai biết được khi nào nó sẽ mở cửa nếu bầu trời của chúng ta, giống như bầu trời của sao Kim, luôn bị mây che phủ? Hơn nữa, định luật quán tính được phát hiện là do một sai sót! Galileo, người phát hiện ra định luật, tin rằng do quán tính nên vật chỉ có thể chuyển động theo đường tròn!
Để hiểu điều này xảy ra như thế nào, chúng ta sẽ phải theo dõi lịch sử kéo dài 25 thế kỷ về sự hình thành hệ nhật tâm, vốn bị các nhà di truyền học như Aristotle và Archimedes phản đối. Chúng ta hãy cố gắng trình bày bằng ngôn ngữ hiện đại - và do đó, chắc chắn sẽ thay đổi phần nào - lập luận của những người tranh chấp.
Trái đất lần đầu tiên bị tước đi sự bất động vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên. Điều này được thực hiện bởi Philolaus, một trong những học trò của Pythagoras. Ông tin rằng Trái đất, cùng với Mặt trời và các hành tinh, quay quanh một ngọn lửa trung tâm nhất định.
Một thế kỷ sau, Philolaus có một đối thủ xuất sắc - Aristotle *). Ông phản ứng với giả thuyết của Philolaus là mâu thuẫn với sự tồn tại của các ngôi sao cố định. Xét cho cùng, nếu Trái đất đang chuyển động thì tất cả các ngôi sao sẽ có vẻ như đang chuyển động đối với người quan sát trên Trái đất! Phải mất 23 thế kỷ để bác bỏ sự phản đối này - 3 trong số đó sau cái chết của Copernicus!
Vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên. Aristarchus của Samosko đề xuất một hệ thống giống hệt hệ thống Copernican trong tương lai: Trái đất và tất cả các hành tinh quay theo vòng tròn xung quanh Mặt trời bất động. Archimedes và Apollonius của Perga trở thành đối thủ của Aristarchus, hay hệ thống của Aristarchus mâu thuẫn với các quan sát thiên văn - vào thế kỷ thứ 2 trước Công nguyên. điều này đã được Hipparchus chứng minh một cách nghiêm ngặt. Cả hai nhà khoa học Aristarchus và Hipparchus đều đúng và sai: Trái đất và các hành tinh quay quanh Mặt trời, nhưng không phải theo hình tròn mà theo hình elip! Có vẻ như đó là sự thật
*) Người Hy Lạp cổ cũng đã cố gắng trả lời câu hỏi tại sao các thiên thể lại vi phạm quy luật chung và không rơi xuống Trái đất. Người Hy Lạp gắn chúng vào những quả cầu pha lê vì một quả cầu không thể rơi vào tâm của chính nó mà không bị vỡ! Đường nối các bán cầu pha lê của Dải Ngân hà. Ý tưởng này có vẻ ngây thơ, nhưng điều đáng nhớ là vào thế kỷ XX, người đoạt giải Nobel F. Dyson đã đề xuất ý tưởng về các nền văn minh cao tạo ra một quả cầu mờ đục xung quanh ánh sáng trung tâm để tận dụng tối đa năng lượng của nó.
19
Hệ thống thế giới của Ptolemy.
còn một bước nữa. Nhưng không chỉ Copernicus mà cả Galileo cũng không thực hiện được bước này. Các vòng tròn là quỹ đạo hành tinh dường như hoàn toàn không thể chối cãi: chúng là những đường cong hoàn hảo duy nhất. André Bonard, trong cuốn Greek Civilization, xuất bản năm 1959, viết: “Thật đáng tiếc khi các nhà khoa học phản đối Aristarchus đã không đi đến khám phá của Kepler. Nhưng định kiến về tính ưu việt của chuyển động tròn đã có cội rễ vững chắc”.
Những lời của người xưa về tính chất bắt buộc của quỹ đạo có vẻ nực cười. Tuy nhiên, chúng ta hãy dịch những từ này sang ngôn ngữ hoàn hảo. Một trong những ý tưởng hàng đầu của vật lý hiện đại, như đã đề cập, là ý tưởng về tính đồng nhất và sự tạo ra không gian. Các định luật vật lý cơ bản tuân theo ý tưởng này. Nhưng nếu quỹ đạo của hành tinh không phải là hình tròn, thì hướng nhìn thấy có độ giãn dài lớn nhất của quỹ đạo sẽ xuất hiện trong không gian, hóa ra là một cái gì đó khác với tất cả các hướng khác! Việc chuyển động của các hành tinh được xác định bởi thời tiền sử của chúng vẫn là điều khó hiểu.
Do đó, Ptolemy (thế kỷ thứ 2 sau CN) tiến hành từ hệ địa tâm và đưa ra một bức tranh phức tạp về vòng tròn
20
Hệ thống thế giới Copernican.
gov quay quanh quỹ đạo, giải thích mọi sự kiện quan sát được. Hơn nữa, anh ta có cơ hội tưởng tượng sự chuyển động của các hành tinh và thậm chí cả nhật thực của Mặt trời và Mặt trăng. Điều này đã đánh vào trí tưởng tượng của người xưa đến nỗi tác phẩm của ông đã nhận được cái tên “Almagest” - vĩ đại nhất. Ptolemy trở thành nhà thiên văn học đầu tiên trong lịch sử tìm cách dung hòa các quan sát thiên văn với lý thuyết của mình. Thành tích tuyệt vời! Nhưng, có lẽ, chính điều này đã làm lu mờ việc làm sáng tỏ chuyển động thực sự của các hành tinh trong nhiều thế kỷ: xét cho cùng, mọi thứ đều rất tốt, lý thuyết hoàn toàn trùng khớp với thực nghiệm!
17 thế kỷ trôi qua, lịch sử lặp lại! Kinh điển của Nhà thờ Frausenburg, Nicolaus Copernicus, chỉ tìm cách đưa hệ thống Ptolemaic phù hợp với những quan sát vào thời của ông và thay thế: hệ thống Ptolemaic có thể được đơn giản hóa phần nào nếu chúng ta giả sử rằng Trái đất và các hành tinh quay quanh Mặt trời, nhưng vẫn ở trong một hệ thống vòng tròn phức tạp. Và một lần nữa, giống như Aristarchus, Copernicus có một đối thủ - một trong những nhà thiên văn học-quan sát vĩ đại nhất mọi thời đại, Tycho Brahe. Anh ta phản ứng với hệ thống Copernicus vì lý do gần giống như Hipparchus
21
Mô hình Vũ trụ của Kepler mà ông đề xuất ban đầu.
hệ thống. Sau nhiều năm nỗ lực hoàn hảo để tìm ra sự hài hòa của thế giới trong hệ khối đa diện đều bao quanh quỹ đạo của các hành tinh, Kepler đã đi đến định luật vĩ đại: các hành tinh chuyển động quanh Mặt trời, nhưng chúng chuyển động theo hình elip!
Định luật này không chỉ phản ánh sự sẵn sàng của Kepler trong việc thể hiện một ý tưởng điên rồ bác bỏ quan điểm của hai mươi thế kỷ. Kepler cũng cực kỳ may mắn. Do khoảng cách giữa các hành tinh (đặc biệt là các hành tinh nặng) rất xa nên quỹ đạo của chúng gần giống với một hình elip - một trong ba đường cong nổi tiếng lúc bấy giờ (elip, hyperbola, parabola).
Kepler là người đầu tiên thiết lập các định luật về chuyển động của hành tinh. Làm thế nào ông đi đến định luật thứ hai: trong những khoảng thời gian bằng nhau, các hành tinh có diện tích bằng nhau - vẫn gần như không thể hiểu được. Xét cho cùng, phép tính liên tiếp vẫn chưa tồn tại và việc tính diện tích không chỉ là một môn khoa học mà còn là một nghệ thuật: mỗi đường cong đòi hỏi cách tiếp cận riêng. Ý tưởng tạo ra những khu vực khác thường đến từ đâu? Có lẽ, niềm đam mê ban đầu của Kepler cũng sẽ có tác động - các phương pháp cụ thể để tính diện tích mà ông đã phát minh ra trong tác phẩm “Về hình học lập thể của thùng rượu” (một thiên tài từ khoa học ứng dụng bài toán đang được tạo ra!), và một niềm tin gần như thần bí vào sự tồn tại của các quy luật thống nhất của tự nhiên *), và tin rằng, chỉ là tình yêu tính toán vì mục đích tính toán và cái được gọi là thiên tài **).
Đối thủ khoa học không thể hòa giải của Kepler là Galileo cùng thời với ông. Ông là người đầu tiên đặt ra câu hỏi điều gì làm các hành tinh chuyển động, khiến quỹ đạo của chúng bị bẻ cong. Galileo coi ảnh hưởng của Mặt trời ở khoảng cách xa như vậy là thần bí, cũng như mối liên hệ giữa thủy triều với Mặt trăng. Làm sao các hành tinh biết rằng trong giờ tiếp theo chúng phải bao phủ cùng một khu vực như giờ trước?
*) Kepler là một người sùng đạo sâu sắc và đã để lại của cải cho thiên văn học, tự trấn an mình rằng “Chúa có thể được tôn vinh không chỉ nhờ của cải”. Nhưng Chúa đã loại bỏ cuốn sách giáo khoa về thiên văn học do Kepler sùng đạo viết ra, và cuốn sách này ngay lập tức bị người biên mục đưa vào danh sách sách bị cấm. Đây là kết quả thường xuyên của việc trung thực đi vào sự thật.
**) Không thể không kể tên ít nhất một số công trình của Kepler: định luật cơ bản thứ ba về chuyển động của hành tinh, sau Newoton, làm cơ sở cho việc suy ra định luật vạn vật hấp dẫn (!); giải thích thủy triều; ý tưởng áp suất nhẹ (!), tạo ra đuôi sao chổi; dự đoán các vệ tinh của sao Hỏa và thiên văn; thiết lập một trong những quy định quan trọng nhất của phép tính vi phân - điều kiện để đạt cực đại của hàm số.
Định luật thứ hai của Kepler: .
22
Gì? *) Cần phải có một cách xây dựng câu hỏi mới về cơ bản vì bản thân câu hỏi ghép đã không chính xác. Và đáp số Kepler: “Các hành tinh được chuyển động bởi linh hồn thế giới,” tất nhiên không thể làm thỏa mãn Galileo. Nhưng vì không có lực nào tác động lên các hành tinh, Galileo lý luận, nên chuyển động như vậy là một đặc tính tự nhiên của các hành tinh. Galileo gọi đó là quán tính và đã chứng minh rất thuyết phục phát biểu sai lầm: nguyên nhân khiến các hành tinh quay là do quán tính, chuyển động theo quán tính chỉ có thể là chuyển động theo đường tròn, mọi điểm đều bằng nhau (!).
Galileo coi chuyển động theo đường thẳng bị loại trừ: sự chuyển đổi theo thời gian từ điểm này sang điểm khác là quen thuộc vì chúng không tương đương; Ngoài ra, trong trường hợp này, cơ thể sẽ không bao giờ đạt được mục tiêu cuối cùng (theo ngôn ngữ hiện đại - trạng thái cân bằng ổn định), và thiên nhiên không bao giờ đặt ra cho mình những mục tiêu không thể đạt được (nghĩa là trạng thái cân bằng xảy ra sớm hay muộn).
Lý luận này khiến Galileo mâu thuẫn không chỉ với Kepler, mà còn với chính ông: xét cho cùng, trước đó ông đã chứng minh rằng chuyển động trong một đường tròn có liên quan đến một lực tác dụng hướng vào tâm! Mâu thuẫn dường như không thể giải quyết được, và Descartes đã làm cho tình huống trở nên kịch tính hơn bằng cách chỉ ra rằng chuyển động theo quán tính là chuyển động theo đường thẳng.
Điều gì di chuyển các hành tinh?
*) Thật đáng để so sánh câu hỏi này với câu hỏi của Rutherford Bohr: làm thế nào một electron biết nó sẽ phát ra phần ánh sáng nào khi nhảy sang một quỹ đạo mới?
Dường như không có lối thoát. Nhưng vào năm Galileo qua đời, Newoton đã ra đời. Ông quay lại với Kepler, với các định luật của mình và trên cơ sở đó đã tạo ra một khoa học chính xác về chuyển động của các vật thể.
Cho đến nay, nó chỉ nói về sự phát triển của các ý tưởng, về những tranh chấp giữa các hiệp sĩ tư tưởng: Philolaus và Aristotle, Aristarchus của Samos và Hipparchus, Copernicus và Tycho Brahe, Kepler và Galileo, những tranh chấp trong đó người ta thấy rõ rằng sự thật vẫn chưa được sinh ra. Nhưng các nhà khoa học là những con người sống, có niềm đam mê, niềm tự hào, niềm kiêu hãnh và khả năng mắc sai lầm ngay cả trong những điều nhỏ nhặt. Galileo bị thuyết phục về việc không thể rời khỏi Trái đất và không nhận thấy rằng các công thức của ông mang lại vận tốc vũ trụ đầu tiên *). Ông giải thích thủy triều bằng chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời (tôi rất muốn là người đầu tiên chỉ ra hiện tượng chứng minh sự chuyển động này!), nhưng chu kỳ của thủy triều khác gấp đôi so với tính toán của ông và trùng khớp với kết quả của Kepler. Galileo tuyên bố sự trùng hợp ngẫu nhiên của Kepler là một tai nạn **), và bản thân ông cũng ngây thơ và bất lực khi kêu gọi các nhân viên rằng ở đâu đó trên Biển Sargasso, chu kỳ thủy triều là “chính xác”. Nhưng đồng thời, ông đang cố gắng kết nối thời kỳ thủy triều không đều ở Biển Địa Trung Hải với độ sâu của nó - và tạo ra một lĩnh vực khoa học mới: nghiên cứu sóng bề mặt và sóng trong các lưu vực kín! Ga-
*) Nhân tiện, làm cách nào tôi có thể sử dụng công thức để thu được biểu thức cho vận tốc thoát đầu tiên!
**) Chúng ta hãy nhớ đến Bohr: “Sự trùng hợp giữa một lý thuyết ngu xuẩn với thí nghiệm chẳng chứng tỏ được điều gì; có vô số lý thuyết như vậy.”
23
Lily đã phát hiện ra sự độc lập của chu kỳ dao động của một con lắc với biên độ - và ngay lập tức, đã sai lầm, đã mở rộng định luật này đến bất kỳ biên độ nào; đã phát hiện ra sự không đổi của gia tốc Trái đất - và ngay lập tức kết luận rằng nó không phụ thuộc vào khoảng cách đến Trái đất! Đây là lý do mà người sáng lập hầu hết các lĩnh vực cơ khí đã nhầm lẫn *).
Vì vậy, trong sự kết hợp dày đặc giữa cách phát âm và lỗi, không có đúng sai, khoa học đã phát triển. Nhưng đồng thời, tất cả những người mà chúng ta đang nói đến đều là những thiên tài: tác phẩm của họ đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ; họ đã nâng cao nhân loại trong nhiều thập kỷ tới tương lai (và cái gì, nếu không phải là số năm công được tiết kiệm, quyết định mức độ tài năng?); phải mất nhiều thời gian hơn để hiểu và nắm vững ý tưởng của họ - một sự thật tuyệt vời hiếm khi sinh ra đơn giản và dễ hiểu **).
Tất nhiên, lịch sử phát triển của khoa học được trình bày cực kỳ đơn giản và được viết bằng những mặt nạ thô thiển, đôi khi có sự cô đọng phổ biến các sự kiện. Nhưng rõ ràng là sự phát triển không diễn ra theo đường thẳng của cột điện thoại mà theo đường cong phức tạp của cây khoa học, các nhánh của cây nghiêng theo những góc khác nhau về phía sự thật và dần dần thẳng ra để vươn tới một ngôn ngữ tri thức mới.
*) Về sự tồn tại của thiên tài. Newton, vì tận tâm khoa học, đã không công bố định luật vạn vật hấp dẫn của mình trong 20 năm, cố gắng rút ra các định luật Kepler từ đó, và sau đó dành nhiều năm tranh luận về tự nhiên với Hooke; đã không công bố khám phá của mình về phép tính vi phân và tích phân, cố gắng tìm ra công thức tổng quát cho tích phân, và sau đó chứng minh bản chất của mình trong một cuộc tranh chấp với Leibniz. Đối với Newton chỉ sống trong khoa học, suốt cuộc đời, ông cô đơn và không thể hy sinh niềm vui duy nhất của mình trong cuộc sống - yếu đuối, dù yếu đuối nhưng những khám phá của ông đối với nhiều người là đủ.
**) Ví dụ, đây là quy tắc nhân từ một bản thảo thế kỷ 15: 7×8=? 7+8-10=5, sau đó 5x10=50, bây giờ 10-7=3, 10-8=2 được xác định và các kết quả này có thể thay đổi: 3x2=6. Cuối cùng, 50+6=56, vậy 7x8=56.